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膨胀或脉动的宇宙模型

在爱因斯坦终于计算出了一个静态的

均匀

各项同性的

有限无边的宇宙模型几年之后

一位名不见经传的前苏联数学家弗利德曼应用不加宇宙项的厂方程

得到了一个膨胀的或脉动的宇宙模型

弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀的

各向同性的

但是它不是静态的

这个宇宙模型随着时间变化

分三种情况

第一种情况

三维空间的曲率是负的

第二种情况

三维空间的曲率为零

也就是说

三维空间是平直的

第三种情况

三维空间的曲率是正的

前两种情况

宇宙不停的膨胀

第三种情况

宇宙先膨胀

达到一个极大值之后开始收缩

然后再膨胀

再收缩

因此

第三种宇宙是脉动的

弗利德曼的宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上

后来西欧的一些数学家

物理学家得到类似的宇宙模型

爱因斯坦得知这类膨胀或者脉动的宇宙模型后

十分兴奋

他认为自己原有的静态模型不够好

应该放弃

弗里德曼模型才是正确的宇宙模型

同时

爱因斯坦宣称

自己在广义相对论的长方程上加宇宙项是错误的

厂方程不应该含有宇宙像

而应该是原来的老样子

但是

宇宙像就像天方夜谭中从瓶子里放出的魔鬼

再也收不回去了

后人没有理睬爱因斯坦的意见

继续讨论宇宙像的意义

今天

广义相对论的厂方程有两种

一种不含宇宙像

另外一种则包含宇宙象

它们都在专家们的应用和研究之中

早在一九一零年前后

天文学家就发现

大多数星系的光谱有红疑现象

个别星系的光谱甚至含有紫疑现象

这些现象可以用多普勒效应来解释

远离我们而去的光源发出的光

我们收到时

会感觉到其频率降低

波长变长

并出现光谱线红移的现象

即光谱线向长波方向移动的现象

反之

向我们迎面而来的光源

光谱线会向短波方向移动

即出现子移现象

这种现象与声音的多普勒效应相似

许多人都有过这样的感受

迎面而来的火车

其鸣叫声特别尖锐刺耳

远离我们而去的火车

其鸣叫声则明显迟钝

这就是声音的多普勒效应

迎面而来的声源发出的声波

我们感到其频率升高

远离我们而去的声源发出的声波

我们则感到其频率降低

如果认为星系的红移

紫移是多普勒效应

那么大多数星系都在远离我们

只有个别星系向我们靠近

随之进行的研究发现

那些个别向我们靠近的紫怡星系都在我们自己的本星系团中

我们银河系所在的星系团称为本星系团

本星系团中的星系多数红移

少数紫移

而其他星系团中的星系就全部都是红移了

一九二九年

美国天文学家哈勃提结了当时的一些观测数据

提出了一条经验规律

河外星系的红一大小正比于他们离开我们银河系中心的距离

由于多普勒效应的红移亮与光源的速度成正比

所以上述定律又表述为核外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比

v等于HD

式中的v是核外星系的退行速度

d是他们到我们银河系中心的距离

这个定律被称为哈勃定律

比例常数h称为哈勃常数

按照哈勃定律

所有的河外星系都在远离我们

而且离我们越远的河外星系逃离的也就越快

哈勃定律反应的规律与宇宙膨胀理论正好相符

而个别星系的子仪则可以这样解释

本星系团内部的各星系都要围绕它们的共同重心转动

因此总会有少数星系在一定时间内向我们的银河系靠近

这种子疑现象与整体的宇宙膨胀无关

哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型

不过

如果查看一下当年哈勃得出的定律时所用的数据图

人们会感到惊讶

在距离与红一亮的关系图中

哈勃标出的点并不集中在一条直线附近

而是比较分散的

哈勃怎么敢于断定这些点应该会描绘成一条直线呢

一个可能的答案是

哈勃抓住了规律的本质

抛开了细节

另一个可能是

哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论

所以他大胆的认为自己的观测与该理论一致

以后的观测数据越来越精

数据图中的点也越来越集中在直线附近

哈勃定律终于被大量实验观测所确认

亲爱的听众朋友们

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咱们下章再见